El nuevo sensor de temperatura puede simplificar el monitoreo térmico de los circuitos

Jul 15, 2023

A medida que los dispositivos reducen y aumentan su potencia simultáneamente, el calor se está convirtiendo en un problema en aplicaciones donde no habría sido una consideración hace unos años. Simplemente cortar algunos orificios de ventilación en la carcasa o colocar un ventilador ya no es adecuado como método de enfriamiento. Es posible que estas soluciones rápidas hayan funcionado alguna vez, pero hoy en día, diseñar las propiedades térmicas de un diseño es tan importante como la EMI y la integridad de la señal.

Los diseñadores ahora deben medir y monitorear el calor de una manera que se ajuste a un diseño, se ajuste a un presupuesto y represente con precisión el entorno térmico operativo del mundo real. Los investigadores de la Universidad de Tokio (UT) pueden ofrecer una solución que se ajuste a todos esos parámetros.

Los chips más caros de la actualidad tienen sensores térmicos integrados para protegerlos contra el sobrecalentamiento y la fuga térmica. Las placas de PC de misión crítica también pueden incluir estos sensores en lugares clave. Sin embargo, las limitaciones de costo y espacio a menudo impiden monitorear más que unas pocas áreas críticas; en cambio, los ingenieros deben hacer todo lo posible para abordar los problemas térmicos antes de que comience la producción.

Durante el desarrollo, los diseñadores preocupados por el calor suelen agregar sensores a áreas sospechosas de un prototipo y caracterizar las propiedades térmicas durante las pruebas. El software de simulación térmica también ayuda a caracterizar el producto.

Si bien estos enfoques son razonables y en su mayoría efectivos, tienen límites cuando se trata de equipos compactos o equipos que funcionan en entornos difíciles de simular. Los sensores térmicos, que consisten en cables y pequeños componentes semiconductores, no son lo suficientemente pequeños para la cosecha actual de semiconductores ultraminiaturizados y diseños compactos. Es posible que los sensores solo proporcionen una vista térmica de puntos discretos en lugar de todo el sistema en funcionamiento.

Para abordar esta limitación, un equipo de UT ha desarrollado un sensor térmico de película flexible que puede ayudar a los diseñadores a caracterizar y monitorear con precisión los componentes del circuito a un costo menor y con menos interferencia con el diseño físico del producto. El equipo produjo los sensores mediante pulverización catódica de material sobre una película de PET y grabando el sensor.

La fina película puede llegar donde muchos otros sensores no pueden. Además, se puede implementar durante la fabricación para monitorear la vida útil sin un impacto significativo en las disposiciones mecánicas del producto.

La mayoría de los sensores térmicos se basan en el efecto termoeléctrico Seebeck (SE), el calentamiento de dos materiales diferentes (generalmente metales o semiconductores) que genera un flujo de corriente. El propio Alessandro Volta descubrió las raíces del efecto termoeléctrico en 1794. El fenómeno lleva el nombre de Thomas Seebeck, quien lo redescubrió de forma independiente en 1821.

Cuando se aplica calor al extremo unido de dos materiales diferentes, el diferencial de calor entre el extremo caliente unido y los extremos más fríos no unidos del circuito excita los electrones lo suficiente como para hacer que algunos de ellos se muevan de un material al otro a través del articulación. Este flujo de electrones es proporcional al diferencial de calor y se puede medir.

Los nuevos sensores de UT utilizan un efecto termoeléctrico/termomamagnético menos conocido pero relacionado llamado efecto Nernst anómalo (ANE). Al igual que el efecto Seebeck, ANE convierte el calor en electricidad. Sin embargo, ANE se basa en materiales magnéticos y opera en un plano perpendicular al calor. Esto, junto con el método de la UT para depositar materiales magnéticos basados ​​en hierro y galio sobre una película de plástico, produce un sensor de área plana.

Un desafío al usar el ANE es que el SE termoeléctrico es más fuerte y oscurece la lectura del área del ANE. El proceso UT neutraliza el SE alternando patrones. Esto permite que el circuito grabado proporcione una imagen térmica más precisa del área.

Antes de esta investigación, los sensores termoeléctricos eran grandes, de tamaño extraño, frágiles y difíciles de integrar en aplicaciones que no fueran de fuente puntual. Esta investigación abre la posibilidad de desarrollar sensores térmicos flexibles y adaptables a casi cualquier aplicación.

Debido a que esta tecnología es discreta, puede caracterizar con precisión las propiedades térmicas durante el desarrollo. Los diseñadores también pueden instalar este sensor en muchos dispositivos de forma permanente para gestionar activamente el calor durante la vida útil del dispositivo. Juntos, un diseño térmico robusto y un monitoreo térmico preciso pueden extender la vida útil de un dispositivo. Los inventores del nuevo sensor esperan que, además de las aplicaciones electrónicas, la industria de la tecnología médica pueda aprovechar su tecnología para generar mapas de calor del cuerpo humano con fines de diagnóstico.